考虑颗粒形状的离散元法在岩土工程中的应用进展

随着计算条件的不断发展,颗粒离散元方法在岩土工程数值分析中已有一定应用。在真实条件下,颗粒形状往往较为复杂,因此对复杂颗粒形状的模拟在研究岩土颗粒材料物理力学特性中至关重要。简要阐释了目前颗粒离散元法在岩土工程中的应用现状,并重点分析了离散元模拟颗粒形状的两方面:模拟典型颗粒形状,模拟真实颗粒形状;同时根据已有研究总结离散元模拟颗粒形状方法存在的一些问题,提出颗粒形状模拟在岩土工程中的应用前景。

堆石料宏细观力学特性离散元分析

堆石料的力学特性直接影响堆石坝工程的设计、施工和运行,对坝体变形及安全有重要影响。基于大石峡混凝土面板堆石坝工程,采用离散单元法(DEM)建立了接近于3BA区堆石料真实颗粒形状的椭球颗粒试样,开展了一系列常规三轴数值试验,研究了3BA区堆石料的宏、细观力学特性。通过不同围压下的宏观应力应变演化曲线,获得堆石料的宏观应力、变形指标。采用平均接触力将接触网络划分为强、弱2个子网络,分析强、弱接触网络的配位数分布与拓扑演化规律。结果表明:割线模量、泊松比、峰值内摩擦角与围压呈线性变化,剪胀角与围压呈非线性变化;颗粒体系内接触的拓扑演化主要发生在弱接触网络,进而影响堆石料的宏观体积变化,强接触网络内的接触保持不变,为堆石料提供稳定的传力通道。研究结果可用于指导实际工程中不同围压下宏观力学指标的选取。

抗转动特性对颗粒材料分散性失稳的影响研究

对于岩土类的颗粒材料,在特定的应变加载路径下会发生非局部化的失稳现象,此时应力状态处于Mohr-Coulomb屈服面内,试样整体急剧失稳。采用颗粒离散元方法,研究抗转动特性对颗粒材料在等比例应变加载路径下宏、细观力学特性的影响。模拟发现,较为松散的试样更易发生分散性失稳,此时颗粒集合体的应力-应变状态满足Hill材料失稳准则。采用考虑颗粒转动的接触模型进行离散元模拟,通过改变颗粒间接触的转动摩擦系数,从宏观和细观层面分析等比例应变加载路径中颗粒材料的稳定性。颗粒抗转动能力的增强可以降低材料发生分散性失稳的可能性,随着转动摩擦系数的增加,应力路径由应变软化逐渐转为应变硬化,原本会发生分散性失稳的松散颗粒集合体表现出与密实颗粒集合体相似的宏观力学特性;颗粒集合体的内部结构表现出相应的细观作用机制,转动摩擦系数的增加有效地抑制了颗粒转动,虽然降低了颗粒体系的配位数,但增加了颗粒之间的接触力,增强了颗粒体系力链结构的稳定性和各向异性,形成稳定的结构持续抵抗外荷载的施加,从而试样整体不会形成松散的接触状态而失去稳定性。

颗粒材料三维应力路径下的接触组构特性

颗粒材料的宏观应力变形特征与其微观接触力、组构等紧密相关.一般而言,强接触系统属于颗粒内部体系的传力结构,其对应的组构张量是影响宏观应力性质的重要因素.细观数值方法 (如离散单元法)能够反映物理试验的基本规律,并且可以方便地提取宏微观数据来研究颗粒体系的应力变形机制.采用离散单元法(discrete element method, DEM)进行一系列等p等b应力路径下颗粒材料的真三轴试验,在此基础上研究了三维应力路径下颗粒材料的宏微观力学参数的演化过程、三维组构张量与应力张量多重联系以及强接触体系反映的宏观应力特征.研究表明:颗粒体系偏应力峰值状态和临界状态均存在与加载路径无关的宏微观特征;三维应力路径下组构张量与应力张量存在非共轴性,但其联合不变量演化过程表现出加载路径无关的特征;与弱接触系统的组构张量相比,强接触系统的组构张量更能反映宏观应力张量的特征;强弱接触体系的组构张量对颗粒体系宏观响应的贡献不同,其分界点存在一定取值范围,但采用平均接触力较为简单合理.

粒间摩擦对岩土颗粒材料三维力学行为的影响机制

颗粒间摩擦是影响岩土颗粒材料力学特性的重要因素之一,现有研究主要集中在粒间摩擦对颗粒集合体堆积、宏观剪切强度等的影响,而其在复杂应力路径下对岩土颗粒材料的影响机制尚不明确。采用离散单元法(DEM)进行了颗粒材料的真三轴加载路径数值试验,通过改变颗粒间摩擦系数μ来研究粒间摩擦对颗粒材料宏观力学特性的影响。对比了4种三维强度准则,发现当0.2<μ≤0.5时,Lade-Duncan和Matsuoka-Nakai准则能较好地拟合不同加载路径下的数据点。采用平均接触力将颗粒体系的接触网络划分为强、弱两个子网络,分析了强、弱接触网络的配位数分布、接触力和组构各向异性等。结果表明在峰值剪应力状态,随着颗粒间滑动摩擦系数μ的增加,强接触网络中参与形成"力链"的颗粒数目基本不变,但强接触网络中颗粒间法向接触力明显增加以及法向接触力各向异性加强,这是导致宏观抗剪强度增大的主要原因。而弱接触网络的配位数分布随μ值明显变化,其对颗粒体系剪胀程度的增加贡献显著。

堆石体在真三轴应力状态下的非共轴性与剪胀特性

基于连续-离散耦合分析方法,发展随机颗粒不连续变形分析方法。采用不规则多面体模拟实际堆石颗粒,制备初始各向同性的堆石料数值试样,进行等平均静水压力p、等中主应力系数b应力路径的真三轴数值试验。分析堆石料在真三轴应力状态下的剪胀特性,以及应变增量与应力增量的非共轴性。研究结果表明:刚开始加载时,应变增量与应力增量共轴,随着加载的进行,应变增量的方向发生偏转,偏转量与中主应力系数b有关,在三轴压缩应力路径(b=0)和三轴拉伸应力路径(b=1)时,几乎不发生偏转;对比Rowe,Roscoe,改进的Roscoe以及Lagioia剪胀模型,改进的Roscoe剪胀模型预测的剪胀曲线与数值试验结果较吻合,在改进的Roscoe剪胀模型上引入1个角隅函数,以反映中主应力对剪胀特性的影响。

颗粒物质在等比例应变加载下的分散性失稳模式

由地下水引起的静力液化可能是边坡失稳的隐含机制之一,松砂在不排水剪切条件下可能发生静力液化,密实的颗粒集合体在特定的应变路径下也会出现相似的现象,即试样整体发生急剧的失稳,应力状态尚处于峰值强度线以内。该种失稳模式称为分散性失稳,是为了强调失稳模式中没有出现应变局部化或者剪切带。采用连续-离散耦合分析方法,研究由不规则形状颗粒组成的密实集合体在等比例应变加载路径下的力学特性。根据Hill的材料失稳理论,当试样的应力增量d?和应变增量d?对应的2阶功d2W为负时,试样即发生不可逆的整体失稳破坏。以根据不同等比例应变路径得到p?q曲线为界,在p?q平面内将试样的应力状态分为剪缩区、剪胀-稳定区和剪胀-非稳定区,连接不同围压下试样发生分散性失稳时的应力状态形成失稳线发现,峰值强度线高于临界状态线,临界状态线高于失稳线。

水酶法同时提取浓香花生油和水解蛋白质的研究

为增加油脂风味,将花生在不同温度下烘烤后再进行水酶法提油.结果表明:花生经190℃烘烤20 m in后,提取出的油脂具有浓郁的香味.以此烘烤条件下的花生为研究对象,对其水酶法提油工艺参数进行优化,得出最佳条件为:碱提pH9.5,固液比1∶5,加酶量3.0%(V/W),酶解时间2 h.在最佳条件下油脂和蛋白质得率分别约为76%和79%.

加卸载状态下散粒体力链结构的复杂网络分析

岩土类散粒体在加卸载过程中会呈现出不可逆的力学行为,可从复杂网络参数演化角度分析散粒体加卸载细观机制。采用离散单元法,进行散粒体加载―卸载―再加载过程的三轴数值模拟,并分析了加卸载过程中散粒体的宏观应力-应变演化及其对应的不同强接触体系的复杂网络特征。研究表明:散粒体的应力-应变曲线在加卸载过程中形成“滞回环”,在微观配位数和聚类系数上亦表现出了不可逆行为;采用不同阈值划分不同加卸载状态的强弱接触体系,随着阈值的增大,各应力状态对应的细观结构差异减小;强接触体系的最大簇在特定阈值区间内达到贯穿边界的极限,其几何特征与拓扑特征反映了散粒体加卸载过程的不可逆变化。

椭球颗粒体系宏、细观特性的3维离散元分析

颗粒材料由大量不同形状的离散颗粒组成,其力学特性与构成颗粒体系的颗粒形状密切相关。目前,关于颗粒形状对颗粒材料剪切强度的影响已有大量的物理试验或数值模拟试验研究,而非球形颗粒材料在复杂应力路径下的宏、细观力学特性认识还不够充分。本文采用离散单元法(DEM)对按一定级配生成的不同伸长率的椭球颗粒体系进行等σ_(3)(第3主应力)及等b(中主应力比)的真三轴加载数值模拟试验,研究椭球颗粒体系的3维宏、细观力学特性,并验证常用3维强度准则对椭球颗粒体系的适用性。结果表明:在3维加载路径下,不同于圆球颗粒体系宏、细观演化规律的一致性,椭球颗粒体系的宏观应力面与细观组构面演化规律不一致,宏观应力比与强接触网络组构偏值/均值比线性不为1,这是因为椭球颗粒体系弱接触网络对宏观应力的贡献;椭球颗粒体系宏观体应变、细观法向接触力分布、接触数目及配位数分布等宏、细观指标与加载路径无关;随着椭球伸长率LAR增大,Mohr–Coulomb准则、Lade–Duncan准则、Mastsuoka–Nakai准则及施维成3维强度准则对φ_(max)(峰值内摩擦角)–b关系预测准确度逐渐增大,其中,Lade–Duncan准则能更好地拟合不同加载路径下椭球颗粒体系的数据点。研究为真实应力状态下椭球颗粒材料的宏、细观特性的认识提供了一定的理论基础。

含空洞砂卵石地层盾构隧道引起地面沉降研究

砂卵石地层普遍存在地下空洞,在该区域进行盾构隧道施工容易扰动砂卵石地层,若含有空洞则可能会引发空洞塌陷破坏,造成较大的地面沉降。基于离散元软件Yade,建立含空洞砂卵石地层单线盾构隧道施工模型,研究单空洞位置、单空洞直径、多空洞的组合形式对地面沉降的影响,得到空洞对盾构隧道施工引起的地面沉降的影响规律。研究结果表明,含空洞地层中,当空洞位于隧道正上方引起的地面沉降最大,而空洞位于隧道正侧方引起的地面沉降最小;无论空洞处于哪种位置,空洞直径越大,引起的地面沉降越大;空洞位于隧道正上方或者正侧方时,地面沉降值与空洞直径呈现近似二次函数关系,空洞在隧道斜上方时,在某些区间内地面沉降值与空洞直径呈现线性关系;空洞数量越多,引起的地面沉降越大。两空洞工况下,空洞分别位于隧道正上方与斜上方时引起的地面沉降最大。三空洞工况下,空洞分别位于正上方、正侧方、正侧方时引起的地面沉降最大。

基于细观拓扑结构演化的颗粒材料剪胀性分析

剪胀性是包括岩土材料在内的摩擦性颗粒材料的重要特征之一,其形成机制与颗粒体系内部拓扑结构的演化有关.基于颗粒体系细观数据,可对颗粒体系内部的拓扑结构特征及演化进行分析,进而建立拓扑演化与宏观剪胀变形之间的联系.采用离散单元法,根据密实、中密和松散摩擦性颗粒材料双轴试验的宏微观数据,从拓扑参量演化及接触网络拓扑变化所引起的3类细观结构几何特征等方面研究了颗粒材料宏观剪胀变形的拓扑机制.研究表明:密实和中密颗粒体系双轴试验过程存在应变软化和剪胀现象,与细观结构的拓扑演化与几何各向异性相关,而松散颗粒体系剪胀效应不明显;将接触网络剖分成多边形力环结构并根据拓扑演化定义新生、消失和不变3类细观结构,在加载过程中不同拓扑属性细观结构所占比例及各向异性存在较大差异,且较大尺寸的力环可承担较大的几何各向异性;新生力环结构在双轴加载过程中能够表现出更加明显的剪胀特性,颗粒体系整体的剪胀变形受到新生结构拓扑变化及恒定结构几何变化的综合影响.

复合地层盾构引起地表沉降塌陷研究综述

在复合地层盾构开挖掘进中,常常会遇到密闭舱内土砂粘结、涌水和涌沙等若干问题,从而导致地表沉降、地面塌陷等事故。国内外学者对复合地层地表沉降、支护力与土体位移关系以及地面塌陷机理进行了大量研究,将相关研究成果依据研究方法分类,从理论分析、模型试验和数值模拟对研究现状进行总结。建议对复合地层各覆土层沉降规律、支护力不足时的破坏形状,影响极限支护力因素的粘聚力、内摩擦角及地下水渗流进行深入研究,通过数值模拟分析各覆土层沉降曲线,利用模型试验研究复合地层地面塌陷机理,总结各覆土层沉降规律和地面塌陷模式,从而提出更加适用于复合地层的地表沉降计算公式和地面塌陷破坏模型。

林业技术创新与现代林业的发展探究

林业产业在国民经济发展中占有重要地位,现代林业的发展需要林业技术创新提供推动力。基于此,首先对林业技术创新的内容和作用进行分析,进而对现代林业发展提出几点建议,包括更新林业发展观念、健全技术创新机制、培养技术创新人才等,以期为现代林业建设工作提供参考,促进我国林业产业更好地发展。

发展《情报——科研——生产》系统迎接新技术革命的挑战

(一)引言人类社会发展的历史长河中,经过多次科学、技术和产业革命的洗礼。每次革命洗礼,都大大改变了科学、技术和产业的传统概念,特别是技术革命,不仅对生产产生重大影响,而且对人们的生活、社会结构和文明都产生了深远的影响。目前,以微电子技术、激光技术、航天技术、海洋开发、生物工程、光纤技术、信息技术为代表的新技术革命,是一个波澜壮阔的全球性的现象,将更加深刻地影响到人们的精神生活和物质生活的各个方面。

废物利用(一得)

喝完饮料后,软管千万别扔掉,可收集起来洗干净供游戏时使用,如比长短、高矮、粗细、多少,用软管排序、数数……有的软管可弯曲做手枪、衣钩。更有趣的是可用软管拼各种图形和玩具,如大桥、城门、房子、小旗。塑料软管安全、轻便、耐用,不失为游戏的好材料。

基于离散元的颗粒材料三维临界状态与剪胀特性研究

临界状态通常作为砂土等颗粒材料本构模型中的一种参考状态,是经典土力学框架的一个重要组成部分。根据砂土的细观结构特性,一些学者提出了描述砂土内部结构特性的状态参量,建立了状态相关的剪胀模型。然而受试验条件的限制,目前多采用常规三轴试验研究颗粒材料的临界状态和剪胀特性,未考虑中主应力因素。已有研究表明加载路径对颗粒材料的力学特性有一定影响,本文采用离散单元法模拟了颗粒材料真三轴应力路径试验,分析了加载过程中颗粒材料的应力应变特性及中主应力对临界状态的影响。结果表明:颗粒材料的临界状态线(CSL)在e-lg p平面内是唯一的,与中主应力系数无关。临界状态应力比与应力罗德角的关系可以采用角隅函数近似表达。基于状态相关的剪胀理论,采用Lode角的函数(角隅函数)表示模型参数,提出一个新的应力-剪胀模型。数值试验结果表明,本文采用的三维剪胀模型能够较好地反映了离散元数值模拟中颗粒材料在三维应力路径下的剪胀特性,然而公式的适用性需要更多的试验验证和理论研究。

高堆石坝筑坝材料宏细观变形分析研究进展

随着我国水电事业的快速发展,高堆石坝的建设已达200～300 m级.超过200 m级高堆石坝将表现出与以往明显不同的变形特性,其变形控制是工程建设的难点之一.由于堆石体等筑坝颗粒材料宏观上连续,而细观上离散,易发生颗粒破碎,其本构模型与变形机理尚未明确,因此需要从宏观和细观两个层面对其应力变形特性进行研究.本文总结了近年来高堆石坝及筑坝堆石体在宏细观变形方面的研究进展,着重对高堆石坝宏观本构研究及参数率定、筑坝堆石体细观力学研究方法、细观变形机制以及堆石料缩尺效应等方面做了介绍,并对后续高堆石坝建设过程中筑坝材料的变形控制的研究趋势进行了展望.

考虑颗粒强度尺寸效应的堆石体缩尺效应研究

统计分析了国内外堆石体尺寸效应室内试验研究成果,认为采用相同试验颗粒来源及相同制样方法时,缩尺效应主要是由颗粒强度的尺寸效应所产生。将能够描述不同粒径颗粒的强度表达式引入到服从Weibull分布的生存概率模型,并以此来考虑颗粒强度的尺寸效应。采用连续-离散耦合分析方法,研究了颗粒强度的尺寸效应对堆石体室内试验缩尺效应的影响,从细观层面揭示了室内试验尺寸效应的产生机制。数值模拟结果表明:缩尺效应主要是由法向接触力各向异性差异造成的;在相同颗粒强度尺寸效应参数?下,峰值内摩擦角随最大粒径的增大而减小,而破坏点对应的体积应变呈现出相反的变化趋势;对于同一尺寸试验,峰值内摩擦角随颗粒强度尺寸效应参数?的减小而减小,体积应变随?的减小而增大;考虑颗粒强度尺寸效应后,颗粒强度c?随粒径的增大而减小,颗粒平均法向和切向接触力随最大粒径的增大而增大,因此不同尺寸试样表现出明显的缩尺效应。

考虑开挖宽度的基坑卸荷引起下卧盾构隧道变形计算

计算基坑坑底隆起变形对下卧盾构隧道纵向变形的影响,建立基坑开挖引起的土体位移计算模型。引入转动与错台变形协调盾构隧道模型,基于影像源法,推导得到基坑开挖引起的下卧盾构隧道的纵向变形计算公式。结合3个实际工程监测数据,对比B-W,B-P法,验证计算方法的正确性,并对基坑坑底最大隆起量、基坑开挖宽度、开挖深度、隧道埋深这4个影响因素进行分析。研究表明:下卧隧道最大隆起值和基坑坑底最大隆起值呈正相关规律;随着基坑开挖宽度的增加,隧道隆起大小以及范围相应的增加;隧道埋深和下卧隧道隆起值呈非线性递减规律;减少基坑坑底隆起变形和隧道轴线方向基坑开挖宽度能有效控制下卧隧道纵向变形。